大斜度井岩屑床清除工具安放位置计算

刘小刚，范白涛，2，杨　进，崔志军，赵　静，李长林，岳文凯，邓　贺

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点试验室，天津 300452；3.中国石油大学(北京)，北京 102200)①



大斜度井岩屑床清除工具安放位置计算

刘小刚1，范白涛1，2，杨进3，崔志军1，赵静3，李长林3，岳文凯3，邓贺3

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452；2.海洋石油高效开发国家重点试验室，天津 300452；3.中国石油大学(北京)，北京 102200)①

摘要：钻井过程中保证井眼清洁有利于安全高效地钻进，钻进时加放岩屑床清除器能有效保证井眼的清洁。通过对Moore滑落末速公式的修正引用及岩屑床清除器的流场分析，得出岩屑床清除器的加放间距的简单计算方法，对现场施工具有指导意义。

关键词：大斜度井；岩屑床清除器；Moore滑落末速；流场分析

岩屑携带困难是大斜度、大位移定向井和水平井钻井普遍存在的问题，严重影响钻井安全和钻进效果。在钻进时加放岩屑床清除器是清洁井眼的有效方法，同时结合提高钻井液环空返速、改善钻井液携岩性能可以达到高效安全清洁井眼的目的。岩屑床清除器的工作原理主要是搅动岩屑床，改变环空流线，使岩屑不在上返过程中沉积形成岩屑床[1-2]。但过多的使用岩屑床清除器也会增加摩阻转矩，所以确定经济适用的安装间距尤为重要。国内学者黄丽萍提出的钻进时每3个单根放1个屑床清除器，通井时每4～5个单根放1个岩屑床清除器。国外DBS公司开发的岩屑清除工具“CBI”钻柱中的安装间距一般为91～152 m。在实际操作中，更多的是按经验来加放。本文通过理论推导和数值模拟对岩屑床清除器的安放距离给出了简单的计算方法。

1岩屑床清除器安放位置

1.1理论推导

Moore依据大量的钻井现场数据，提出了一个将静止液体中的自由滑落末速通用表达式应用于钻井过程中岩屑颗粒在环空内滑落速度的计算方法。

当颗粒雷诺数Rep>2 000时，阻力系数基本不随颗粒雷诺数变化，约等于1.5，颗粒周围的钻井液处于紊流状态，颗粒滑落末速为

(1)

当颗粒雷诺数Rep≤1时，阻力系数曲线是一条直线，可以认为颗粒周围的流态为层流，岩屑滑落速度为

(2)

当颗粒雷诺数1

(3)

式中：vs为颗粒滑落末速，m/s；ds为岩屑颗粒直径，m；ρs为岩屑颗粒密度，g/cm3；ρ为钻井液密度，g/cm3；μa为钻井液黏度，Pa·s。

Moore总结出的求钻井过程中岩屑颗粒在环空内滑落速度的方法是以直井中岩屑颗粒为模型的。本文中研究水平井筒环空中岩屑颗粒垂直方向上的滑落速度，借用Moore的滑落速度计算方法。但由于水平井筒和垂直井筒的差异，需对滑落速度公式进行修正。

在垂直井筒中，岩屑颗粒沿垂直方向相当于是自由空间不会产生碰撞和交换。但在水平井筒的环空中，岩屑颗粒垂向空间很小，在滑落过程中不断受到钻柱、井壁和其他固体颗粒的影响，不断地发生碰撞和交换，所以在水平井环空中岩屑颗粒的滑脱末速较直井中的滑落速度小。通过试验得到修正参数为Δ=10。即水平井筒修正后的滑落末速为

(4)

在实际钻井过程中，假定环空中流体过流断面为匀速的，岩屑颗粒沿流体运动方向速度与流体一致。颗粒在钻井液中以滑脱末速匀速下沉，直至井筒下部。岩屑颗粒的运动轨迹如图1。

图1　岩屑颗粒在匀速流体中的运动轨迹示意

设颗粒从初始位置到结束位置的水平位移为

(5)

式中：l为岩屑颗粒的水平位移；Dh为井筒直径；vh为环空返速；vsx为修正后岩屑颗粒的滑落末速。

1.2水平井中岩屑床工具安放位置

岩屑床清除器具是一种有效的斜井岩屑床破坏工具，具有水力和机械双作用破坏、清除岩屑床的特点。在钻进时加放岩屑床清除器可以改善岩屑颗粒的运移状态[3-5]。

螺旋形叶片和V形叶片基本结构如图2所示，该类型叶片螺旋面螺旋线形一般为阿基米德螺线、抛物线或其他规则曲线，V形叶片则存在一段适当长度的逆向反转叶片，螺旋形叶片和V形叶片一般由整体坯料铣削加工获得。

a　螺旋形叶片

b　V形叶片

1.2.1螺旋形叶片和V 形叶片对岩屑的携带作用

1)压力吸附作用 。由于过流面积减小，叶片附近轴线流速增加而压力减小(文丘里效应)，会将工具附近的岩屑吸至叶片附近；螺旋形叶片和V形叶片排屑槽宽度变化会导致压力差，排屑槽外侧宽压力高，内侧窄压力低，这样的排屑槽结构有利于将井底的岩屑吸附至排屑槽内侧而脱离井底岩屑床，从而有机会使岩屑滞留在排屑槽里，随着工具旋转而被举升至高边高速主流区。如图3所示。

图3　螺旋形叶片前缘负角设计

2)螺旋形叶片机械挖掘和破坏作用。 螺旋形叶片的锐角前缘依靠纯机械作用将岩屑从岩屑床面挖掘起来并留在排屑槽里，随着工具旋转而带离环空低边。 V形叶片与螺旋形叶片相比较，因存在一段长度逆向反转叶片，在叶片局部对钻井液环空流动有阻碍作用，而叶片旋转时，将对钻井液产生强烈的造涡作用，大量漩涡会对环空岩屑床不断侵蚀。

通过岩屑床清除器对岩屑床的破坏和对岩屑颗粒的携带作用，使岩屑颗粒从井壁底部被抛离到环空上部，进入高流速区，增大了岩屑颗粒的运移距离。定义岩屑床清除器对岩屑颗粒的影响为“携带因子”。

1.2.2螺旋形叶片和 V形叶片对钻井液的加速作用

1)螺旋形叶片和V形叶片对钻井液的切向加速作用。 螺旋形叶片和V形叶片井眼清洁工具通常在切向布置多个叶片，一般 5～9 个不等，而且叶片直径大于钻杆，井眼清洁工具在随钻杆旋转过程中将对钻井液起到切向加速和轴向加速作用，给井眼低边的岩屑补充悬浮动能。其中切向加速作用使工具叶片附近钻井液近似刚性旋转，但由于钻井液的黏性，这种对钻井液的切向加速作用随着钻井液远离工具叶片而逐渐衰减。

2)螺旋形叶片和V形叶片对钻井液的轴向加速作用。 对钻井液的轴向加速作用则体现为在螺旋形叶片和V形叶片附近，一定质量钻井液轴向速度增加，根据连续性方程，附近必然有相同质量流体减速，这样就会在局部造成更高剪切速率，从而对岩屑床产生侵蚀作用。

3)螺旋形叶片对岩屑的循环推动作用。 岩屑颗粒在排屑槽内部向井口运送的过程中会沿顺时针(视线方向为从井口指向钻头)滑动，形成了循环往复。在循环过程中旋转作用使岩屑颗粒的切向和轴向速度增加，提高岩屑传输效率。岩屑循环推动作用如图4。

图4　循环推动岩屑作用示意

1.2.3岩屑床清除器流场分析

a　单个120 r/min时

b　单个80 r/min时

c　整体120 r/min时

a　单个120 r/min时

b　单个80 r/min时

c　整体120 r/min时

不同旋转状态下岩屑床清除器的进出口速度对比如表1。

表1　不同旋转状态下岩屑床清除器进出口速度对比

从表1可以看出，同种旋转状态下，A型岩屑床清除器优于B型，旋转速度越快岩屑清除器加速效果越好；旋转状态下单个岩屑床清除器的加速效果明显低于组合管柱型。

通过流场分析可知岩屑床清除器对井筒中流体产生很大的加速效果。清除器的加放可明显提高钻井液流速，改善携岩效果，达到岩屑床防治的目的。

1.2.4安放位置计算

通过分析可知，水平井筒中岩屑颗粒在不受干扰的情况下在水平运移的距离L=vh×t。清除器的安放位置若超出L，岩屑颗粒就会滑落到井壁下侧形成岩屑床，故岩屑床清除器的安放位置为

式中：α为岩屑床清除器的携带因子，α=1～2；β为岩屑床清除器的加速因子，β=流场速度增加倍率。

2现场应用

某JZ25-1-A37井，井筒内径311.15mm，钻柱外径127mm，岩屑密度2.25g/cm3，粒径4.20mm，钻井液密度为1.25g/cm3，排量3.80L/min。在井深1 841m至2 040m处，井斜角为61.99及65.67时达到稳斜，在此段加B型岩屑床清除器。

用旋转黏度计测得的钻井液相关数据如表2。

表2　钻井液数据

环空面积S=0.063 338 m2

流量Q=3.8/60=0.063 333 m3/s

使用Moore公式求岩屑颗粒的滑脱速度：

则环空返速为0.999 926 m/s时的钻井液黏度为

假设为中等颗粒雷诺数1

反算颗粒雷诺数为

说明假定的颗粒雷诺数范围是合适的，使用中等颗粒雷诺数的Moore公式计算岩屑滑落速度时合理的。

水平井筒滑落速度修正结果为

考虑岩屑床清除器的影响，取岩屑床清除器的携带因子α=1.12，经数值模拟取岩屑床清除器的加速因子β=1.28。则岩屑床清除器的安装距离为

故建议井深1 841 m至2 040 m井段需安装2个岩屑床清除器，间距约为68 m。

JZ25-1-A37井按照设计加放了2个岩屑床清除器，间距为72 m。钻井过程中憋、卡钻情况明显减少，岩屑返出正常。

3结论

1)同种旋转状态下，使用岩屑床清除器优于未使用清除器，旋转速度越快岩屑清除器加速效果越好；旋转状态下单个岩屑床清除器的加速效果明显低于组合管柱型。

2)在大斜度井钻进时岩屑床清除器安放在大斜度井的岩屑床多发部位，破坏岩屑床和提高钻井液流速。水平井筒中岩屑颗粒在不受干扰的情况下在水平运移的距离为l，岩屑床清除器安放位置超出l时，岩屑颗粒就会滑落的井壁下侧形成岩屑床。

3)用本计算方法下入的岩屑床清除器，有效地减小了井下复杂情况的发生。通过岩屑的上返情况判断井眼得到了很好的清洁，为大斜度井岩屑床清除器的加放提供了理论依据。

参考文献：

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Calculating Spacing for Cutting-bed-remover in Highly Deviated Wells

LIU Xiaogang1，FAN Baitao1，2，YANG Jin3，CUI Zhijun1，ZHAO Jing3，LI Changlin3，YUE Wenkai3，DENG He3

(1.TianjinLtd.，CNOOC，Tianjin300452，China；2.NationalMajorLaboratoryofMarinePetroleumExploitationinHighEfficiency，Tianjin300452，China；3.ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102200，China)

Abstract：In the process of drilling，keeping the hole cleaning is important for drilling safely and efficiently.Cutting-bed-remover is added when drilling can effectively guarantee the wellbore cleaning.Quotes from Moore particle slip velocity formula and flow field analysis of cutting-bed-remover is amended，a simple method of calculating spacing for cutting-bed-remover in highly deviated well simple calculation method is given to guide the construction in this article.

Keywords：highly deviated wells；cutting-bed-remover；moore particle slip velocity；the flow field analysis；calculating spacing

中图分类号：TE926

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.010

作者简介：刘小刚(1978-)，男，高级工程师，硕士，主要从事海洋石油钻完井技术研究，E-mail：haigongzhaojing@163.com。

收稿日期：①2015-09-22

文章编号：1001-3482(2016)03-0046-05